基于介质上电润湿的微流控多功能器件

蒙 列，万 静，袁文志，陈一净，朱 旭

(南京邮电大学，电子与光学工程学院、微电子学院，南京 210046)

0 引 言

光开关和可变光衰减器是光通信网络中的关键组成器件，广泛应用于光波分复用系统，在其他光电子系统中也经常用到。目前，光开关和可变光衰减器大多基于电光效应[1-3]、声光效应[4-5]和磁光效应[6]，但这些器件偏振相关损耗大且需要温度补偿，衰减范围较窄。常用的微电机械系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)光开关和MEMS可变光衰减器的光学性能较好，但是结构复杂。可变光圈可动态改变进光能量，常用于摄像和光学测试类仪器。传统机械式可变光圈通过金属叶片实现通光孔径的调节，有响应转动的延迟、通光孔径调节不精确和响应时间长[7]等问题。

微流控光学[8](Optofulidics)利用微量流体可形变可流动的特殊性质在芯片上形成可调的光学系统，因而比传统固体光学器件更具优势。微流控光学在光信息处理、成像、生物、医药和化学检测等诸多领域已有广泛的应用研究[9-11]，在可变光衰减器和光开关中也有一些报道，如：Seow Y C[12]等人提出了一种基于流体动力学和全反射定律的光开关，结构复杂，对流体流速的控制存在一定的不稳定性；Zhu L[13]等人报道的微流控可变光衰减器通过更换不同折射率的流体实现可变光衰减，可变衰减仅28 dB； Chang J[14]等人提出了一种微流控可变光圈，通光孔径变化范围为0.85～4.20 mm，结构比较复杂。

本文提出一种基于介质上电润湿(Electrowetting on Dielectric, EWOD)的微流控多功能器件，可同时实现可变光圈、可变光衰减器和光开关的功能，因而用途广，应用灵活。所提微流控多功能器件无机械移动装置，结构简单、体积小、操作简便和插入损耗小。可变光衰减器的衰减范围大，可实现0～100 % 的可变衰减。

1 器件结构与工作原理

所提微流控多功能器件结构如图1所示，采用了EWOD微流控驱动技术。圆柱形的封闭空腔最外层为有机玻璃即聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate , PMMA)，在圆柱腔中充有互不相溶的液体，上层是水，下层是油与黑色染料的混合物。圆柱腔的顶部和底部都是涂有导电透明铟锡氧化物(Indium Tin Oxide, ITO)层的玻璃板，腔内表面涂有特氟龙疏水层。水和油与黑色染料的混合物互不相溶且密度匹配。油是癸烷，染料是苏丹黑和苏丹红。油与染料的混合物可吸收光，使入射的光不能透过油层。

图1 微流控多功能器件结构示意图

改变外加电压U时，液体与固体边界的接触角将发生改变，水油界面的形状也会改变。初始未施加电压，即外加电压U=0时，水-油混合物界面自然向下弯曲，如图1所示，此时初始接触角即杨氏接触角θ0约为70 °[15]。两流体界面与固体表面的接触角由接触点处的力平衡决定。通过施加在上下腔内的工作电压U，破坏接触点的平衡力，改变液体和固体表面的接触角，打破液-液面的平衡界面。

根据EWOD理论和Young-Lippman方程(式(1))，随着工作电压增大，接触角θ不断减小。且当水和下层ITO玻璃之间施加电压时，油内产生电场。由于产生的电应力，水-油混合物弯月界面进一步向下弯曲。界面的形状是由电应力和表面拉应力(或分别等效为麦克斯韦应力和拉普拉斯压力)之间的平衡决定的[16-17]。

式中：ε0为真空介电常数；εr为相对介电常数；γ为液体界面张力；d为介电层厚度。

图2所示为微流控多功能器件工作原理。根据上述工作原理和接触角变化分析，水-油混合物界面随施加的电压变化如下：(1) 不加电压或施加的电压较小时，流体界面向下弯曲但未触底，由于下层油染料混合物不透光，因此入射光全部被衰减，不能通过器件如图2(a)所示；(2) 随着电压的增加，界面弯曲程度加大，当电压大于某个值时，流体界面与腔底接触，水排开下层的油并占据底部中心，形成一个透光孔，相当于一个可通光的光圈，如图2(b)所示，此时部分光通过；(3)继续增加电压，底部水形成的透光孔即光圈的孔径不断增大，直至光能全通过，如图2(c)所示。

图2 微流控多功能器件工作原理

根据上述描述，图2(a)为光开关的“关”状态，图2(c)为光开关的“开”状态。水-油混合物弯月界面与底板接触形成的通光孔径从图2(b)到图2(c)的变化即为可变光圈，应用于光通信器件即可作可变光衰减器，理论上衰减量从0～100% 可变。因此本文提出的微流控多功能器件能同时实现可变光圈、可变光衰减器和光开关的功能。

2 微流控多功能器件性能分析

本文基于EWOD理论、流体动力学、应用光学、激光传播与光通信理论以及Comsol仿真软件，研究和讨论了基于EWOD的微流控多功能器件的特性。

2.1 微流控可变光圈

图3所示为不同电压下的水油界面形状图。如图3(a)所示，当电压为0时，水油流体-流体界面是向下弯曲的，但与底部边界尚未接触；当电压增加至90 V时，水油弯月界面与底部开始接触，如图3(b)所示；继续增加电压，水油弯月界面与底部接触面积增大，透明的水将下部的油向周边排开，腔底部形成一定大小的通光孔径，如图3(c)所示。当电压达到135 V时，可变光圈的孔径达到0.506 mm。

图3 不同电压下的水油界面形状图

不同电压下液体可变光圈的通光孔径如表1和图4(a)所示。当电压越大时，液体可变光圈通光孔径越大，在90～135 V电压范围内，通光孔径可变范围为0～0.506 mm。若将液体可变光圈应用于摄像镜头或均匀光场中，在均匀光入射时，相对进光能量与光圈通光孔径的平方成正比。均匀光入射时，不同电压控制下相对进光能量如图4(b)所示，假设电压为135 V时的进光光通量为1 lm。

表1 不同电压下液体可变光圈的通光孔径

图4 不同电压下液体可变光圈的通光孔径和相对进光能量

2.2 微流控可变光衰减器

电压从90 V逐渐增加时，可变光圈通光孔径由“0”逐渐增大，进光量也逐渐增大，而光功率衰减量则逐渐由100% 降低。设入射光束是束腰半径为0.18 mm的基模高斯激光，入射功率为10 mW，则不同电压下对应的光衰减量如表2与图5所示。

表2 不同电压下可变光衰减器的衰减量

图5 不同电压下可变光衰减器的衰减量

当电压为90.0 V时，微流控可变光衰减器的衰减量为83.480 dB；当电压为91.1 V时，衰减量约为40.000 dB；当电压为91.7 V时，衰减量约为20.000 dB。当电压大于135.0 V时，衰减量不再变化，说明光已全部通过液体光圈，此时0.014 dB的衰减量是光通过器件时由于液体与玻璃底吸收带来的损耗，因而所提微流控多功能器件的插入损耗是0.014 dB。

图6所示为不同电压下的光场图。初始不加电压时，光完全不能通过，处于全衰减状态；当电压大于90 V而小于 135 V时，随着液体光圈通光孔径逐渐增大，部分光可以通过，发生部分衰减；当电压大于135V时，光能全部通过液体光圈。

图6 不同电压下的光场图

2.3 微流控光开关

当电压小于90 V时，液体光圈通光孔径为“0”，光处于全衰减状态；当电压大于135 V时，光可以全通过。因而，不施加电压时，可认为光处于“关”状态；而施加大于135 V电压时，处于“开”状态。这样，所提微流控器件又可作光开关。图7所示为微流控光开关对应“关”和“开”状态的光场图。图8所示为光开关“开”状态出射光强分布图，可见经过光开关后光模式分布没有发生变化，仍然是高斯分布形态。

图7 光开关“关”与“开”状态光场图

图8 光开关“开”状态的出射光强分布图

响应时间是光开关的一个重要参数。通过光开关的流场分析探讨其响应时间。当外加电压从0调到135 V时，即光开关由“关”状态变为“开”状态，两液体界面发生变化的过程，以及流体由静止开始运动再静止时对应不同时间的流速分布，如图9所示。图中，红色区为流体流速较快的区域，蓝色为流体流速较慢的区域。由图可知，电压刚刚施加的初始时刻，由于EWOD效应，两相流体与左右壁的接触点率先发生速度变化，即三相接触角发生改变，带动两相流体界面发生速度变化。原来两相流体与左右两壁的力平衡被打破，在界面张力、电作用力和吸附力等的作用下，两相流体将向着新的力平衡运动。随着时间t的变化，两相流体的流速由慢变快再变慢，最终静止下来达到新的平衡。t=30 ms时，流速较大；t=200 ms时流速已很小，且t=200 ms后通光孔径大小几乎不再变化；t=400 ms时流速已非常微弱，两相流界面基本达到稳定状态，此时光路已被完全打开；而在t=500 ms之后，液体完全静止下来。

图9 由“关”变为“开”状态不同时间的流速分布

当外加电压从135 V变为0，即光开关由“开”状态变为“关”状态时，对应不同时间的流速分布如图10所示。t=500 ms时流速已很小，此时光路已被阻断；t=600 ms时流速很微弱，两相流界面基本达到稳定状态，此时光路已被完全关闭；大约t=800 ms后完全静止。

图10 光开关由“开”变为“关”状态时不同时间的流速分布

综上可得，在通光孔径为0.506 mm时，若以两相流界面基本稳定以及光路完全打开或关闭作判断，则光开关由“关”状态变为“开”状态的响应时间约为400 ms，而由“开”状态变为“关”状态的响应时间约为600 ms。

光开关广泛应用于光电子系统或器件中，也广泛应用于光通信。光通信中，单模光纤的纤芯直径一般为8～9 μm，多模光纤的纤芯直径通常为50.0或62.5 μm,因而光开关应用于光通信时通光孔径小于70 μm。如果所提多功能器件仅仅作为光开关应用于光通信，整体缩小器件尺寸，则光开关的响应时间可进一步降低。比如，尺寸缩小到原来的1/4，“开”电压使用67.5 V，开关的通光孔径为147 μm时，仿真结果得到，从“关”到“开”和从“开”到“关”的响应时间都是150 ms。

3 结束语

本文提出了一种微流控多功能器件，该器件同时具有可变光圈、可变光衰减器和光开关的功能。当电压从90 V调节到135 V时，可变光圈的通光孔径可调范围为0 ～ 0.506 mm；电压小于90 V时，光开关处于“关”状态；电压大于135 V时，光开关处于“开”状态。微流控可变光衰减器理论上具有0～100% 的可变衰减范围。在90 ～135 V电压调节过程中，其衰减范围为0.014 ～83.480 dB。所提微流控多功能器件结构简单、体积小、操作方便且插入损耗小(0.014 dB)。多功能的设计使其用途广且应用灵活，可节约成本。本文的研究内容可促进微流控技术在光通信中的应用。